《發(fā)動機原理與汽車理論》學(xué)習(xí)單元六-汽油發(fā)動機和柴油發(fā)動機的排放及處理

發(fā)動機原理與汽車理論學(xué)習(xí)單元六汽油發(fā)動機和柴油發(fā)動機的排放及處理學(xué)習(xí)任務(wù)一、汽油機工況排放試驗學(xué)習(xí)目標(biāo)：通過本節(jié)學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者課說出小客車用汽油發(fā)動機排氣污染物排放限值及測試方法，可在發(fā)動機臺架上進行汽油機9工況法排放循環(huán)試驗的程序并計算比排放量，能夠說出汽油發(fā)動機排放產(chǎn)物及處理方式，能夠說出柴油發(fā)動機排放產(chǎn)物及處理方式，能夠說明排放污染物的危害。學(xué)習(xí)準(zhǔn)備：負載：電力測功機，最高轉(zhuǎn)速可達8000r/min，最大扭矩可達±500N?m，最大功率達135kW。扭矩分辨率±0.1N?m、測量精度±0.4%，轉(zhuǎn)速分辨率±1r/min、測量精度±5r/min。一、汽油發(fā)動機排放產(chǎn)物1.一氧化碳CO

：

CO是無色無臭有窒息性的毒性氣體，由于CO和血液中有輸氧能力的血紅素蛋白(Hb)的親和力比氧氣和Hb的親和力約大300倍，能很快和Hb結(jié)合形成碳氧血紅素蛋白(HbCO)，同時HbCO的解離速度卻比氧合血紅蛋白的解離慢3600倍，且HbCO的存在影響氧合血紅蛋白的解離,阻礙了氧的釋放,導(dǎo)致低氧血癥,使心臟、頭腦等重要器官嚴重缺氧，引起頭暈、惡心、頭痛等癥狀，輕度中毒將使中樞神經(jīng)系統(tǒng)受損，嚴重時會使心血管官能喪失，直至死亡。

2.碳氫化合物HC：

HC包括未燃和未完全燃燒的燃油、潤滑油及其裂解和部分氧化產(chǎn)物，如烷烴、烯烴、芳香烴、醛、酮、酸等數(shù)百種成分。烷烴基本上無味，對人體健康不產(chǎn)生直接影響。烯烴略帶甜味，有麻醉作用，對粘膜有刺激，經(jīng)代謝轉(zhuǎn)化會變成對基因有毒的環(huán)氧衍生物。芳香烴對血液和神經(jīng)系統(tǒng)有害，特別是多環(huán)芳香烴(PAH)及其衍生物有強致癌作用。醛類是刺激性物質(zhì)，對眼、呼吸道、血液有毒害。烴類成分還是引起光化學(xué)煙霧的主要物質(zhì)。3.氮氧化物NOx：氮氧化物是燃燒過程形成的多種氮氧化物，如NO、NO2、N2O3、N2O5等，總稱為NOx。在內(nèi)燃機中主要是NO，約占95％，其次為NO2，占5％。NO是無色無味氣體，只有輕度刺激性，毒性不大，高濃度時會造成中樞神經(jīng)有輕度障礙，但NO易被氧化成NO2。NO2是一種紅棕色有刺激性氣味的有毒氣體。它對人體健康的影響見表8-3。NO2吸人人體后，和血液中血紅素蛋白(Hb)結(jié)合，使血液輸氧能力下降，對心臟、肝、腎都會有影響。NO2易溶于水，被人吸入肺部后，能與肺中的水分結(jié)合成稀硝酸，引起支氣管炎、肺氣腫。NO2是地面附近大氣中形成光化學(xué)煙霧的主要因素，也是酸雨的來源之一。4.微粒

微粒對人體健康的危害和微粒的大小及其組成有關(guān)。微粒愈小，懸浮在空氣中的時間愈長，進入人體肺部后停滯在肺部及支氣管中的比例愈大，危害也就愈大，小于0.1μm(微米，10-6m)的微粒能在空氣中作隨機運動，進入肺部并附在肺細胞的組織中，有些還會被血液吸收。(0.1～0.5)μm微粒能深入肺部并粘附在肺葉表面的粘液中，隨后會被絨毛所清除。大于5μm的微粒常在鼻處受阻，不能深入呼吸道，大于10μm的微?？膳懦鲶w外。微粒能粘附SO2、未燃HC、NO2等有毒物質(zhì)或苯丙芘等致癌物，因而對人體健康造成更大危害。由于柴油機的微粒直徑大多小于0.3μm，而且數(shù)量比汽油機高出30～60倍，成分更為復(fù)雜，因而柴油機排出的微粒危害更大。

二、汽油機排放污染物處理技術(shù)一、汽油機機內(nèi)凈化技術(shù)１.推遲點火時間(點火提前角)

推遲點火提前角一直是最簡單易行，也是最普遍應(yīng)用的排放控制技術(shù)。汽油機推遲點火提前角，除因燃燒溫度下降使ＮＯｘ的生成速度和生成量降低外，還會因后燃使ＨＣ的排放量也同時降低。但推遲點火提前角降低排放的效果是有限的，在不使動力性和燃油消耗率明顯惡化的前提下，ＮＯｘ可降低１０％～３０％。在實際應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮排放特性、動力性及經(jīng)濟性來確定最佳點火提前角。廢氣再循環(huán)系統(tǒng)工作原理２.廢氣再循環(huán)采用高位活塞環(huán)的降低ＨＣ效果３.燃燒系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計４.提高點火能量提高點火能量可以提高著火的可靠性，減小循環(huán)波動率，擴大混合氣的著火界限。特別是伴隨著汽油機燃燒稀薄化，無觸點的高能電子點火系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。提高點火能量的措施有增大火花塞極間電壓(極間電壓一般為１０～２０ｋＶ，但最高的有３５ｋＶ)、增大火花塞間隙(如由０.８ｍｍ增大至１.１ｍｍ)以及延長放電時間等方法。５.電控汽油噴射技術(shù)(ＥFＩ)電控汽油噴射系統(tǒng)由于能夠更精確、更柔性地滿足各工況的參數(shù)優(yōu)化要求，從而可以實現(xiàn)排放特性、燃油經(jīng)濟性和動力性的綜合優(yōu)化。此外，三效催化轉(zhuǎn)化器與電控噴射系統(tǒng)的組合，已成為當(dāng)前和未來較長時期內(nèi)汽油機排放控制的最有效和最主要技術(shù)。另外，可變進氣系統(tǒng)、可變配氣相位、可變排量、稀薄燃燒以及缸內(nèi)直噴式燃燒方法等新技術(shù)，在改善汽油機動力性和經(jīng)濟性的同時，也不同程度地改善了排放特性。2.汽油機機外凈化技術(shù)１.曲軸箱強制通風(fēng)裝置

曲軸箱強制通風(fēng)系統(tǒng)如圖9-15所示。新鮮空氣由空濾器進入曲軸箱與竄氣混合后，經(jīng)ＰＣＶ閥進入進氣管，與空氣或油氣混合氣一起被吸入氣缸燃燒掉。ＰＣＶ閥可隨發(fā)動機運轉(zhuǎn)狀況自動調(diào)節(jié)吸入氣缸的竄氣量。在怠速和小負荷時，由于進氣管真空度較高，閥體被吸向上方(進氣管側(cè))，閥口流通截面減少，吸入氣缸的竄氣量減少，以避免混合氣過稀，造成燃燒不穩(wěn)定或失火；而在加速和大負荷時，竄氣量增多，而進氣管真空度變低，在彈簧作用下閥體下移，閥口流通截面增大，使大量的竄氣進入氣缸被燃燒掉；當(dāng)發(fā)動機高速大負荷運轉(zhuǎn)時，一旦竄氣量過多而不能完全被吸凈時，部分竄氣會從閉式通氣口進入空濾器，經(jīng)化油器被吸入進氣管。燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)２.燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)電控燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)方框圖

１—電控單元２—空氣濾清器３—發(fā)動機進氣歧管

４—電磁式清除閥５—泄漏檢測泵

６—活性炭罐７—油箱3.三元催化轉(zhuǎn)化器TWC如表6-3所示，汽油機排氣后處理技術(shù)主要包括熱反應(yīng)器、催化轉(zhuǎn)化器，而催化轉(zhuǎn)化器又可分為氧化型、還原型、氧化還原(三效)型以及稀燃型。1）催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)與工作原理圖6-9催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)及組成催化劑可以提高化學(xué)反應(yīng)速度以及降低反應(yīng)的起始溫度，而本身在反應(yīng)中并不消耗。催化轉(zhuǎn)化器是目前各類排氣后處連技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。起催化作用的活性材料一般為鉑(Pt)、銠(Rh)和鈀(Pd)三種貴金屬(每升催化劑中貴金屬含量為0.5?3.0g)，同時還有作為助催化劑的鈰(Ce)、鑭(La)、鐠(Pr)和釹(Nd)等稀土材料。相關(guān)知識二柴油發(fā)動機排放產(chǎn)物及處理方式一、柴油發(fā)動機排放產(chǎn)物1.一氧化碳(CO)在柴油機中，α＞１(Ａ／Ｆ>１４．８)，ＣＯ主要是在局部缺氧或低溫下形成的，所以ＣＯ的含量在全負荷或低負荷下較高，中等負荷時較低。對于柴油機而言，CO的排放率比CO2的排放率小得多。2.碳氫化合物(ＨＣ)在柴油機中，排氣中的ＨＣ是由于混合氣形成不良(如噴油質(zhì)量不好、霧化不良)、燃燒組織不良(如供油提前角過小)、竄機油或者在過低的溫度下(如柴油機怠速運轉(zhuǎn)等)產(chǎn)生的。3.氮氧化合物(ＮＯｘ)對柴油機而言，NOx在其排氣廢氣中占主導(dǎo)地位。根據(jù)前述NOx生成條件，柴油機可以通過降低火焰高峰溫度、縮短空氣在高溫中停留的時間、降低燃油和空氣的混合速率等措施減少NOx的形成。4.炭煙和顆粒柴油機采用擴散燃燒方式，這就決定了柴油機產(chǎn)生炭煙和微粒是不可避免的。柴油機的微粒排放量要比汽油機大幾十倍。這種微粒由在燃燒時生成的含碳粒子(碳煙)及其表面上吸附的多種有機物組成。柴油機排出的炭煙主要是由于柴油機工作粗暴、燃料中的重餾分不能完全燃燒，其主要為微小的炭粒，它們是直徑為０.５～１μｍ的微粒，根本無法濾除，造成汽車冒黑煙。二、柴油機排放污染物處理方式1.柴油機的機內(nèi)凈化技術(shù)1.增壓中冷技術(shù)將增壓后空氣再進行冷卻的中冷技術(shù)，使得進氣溫度降低，循環(huán)進氣量更大。這樣，增加空燃比改善了柴油機的燃燒，從而降低了微粒、NOx排放，而且功率進一步增加。增壓中冷柴油機參數(shù)選配得當(dāng)，則柴油機大部分性能都會得到改善。２.改進進氣系統(tǒng)：進氣組織：組織一定強度的缸內(nèi)旋流或紊流。３.改進噴油系統(tǒng)高壓噴射推遲噴油提前角減小噴孔直徑，增加噴孔數(shù)目高壓共軌電控燃油噴射柴油機機外機外凈化技術(shù)１.微粒捕集器采用過濾的方法對柴油機排氣中的微粒進行凈化。

２.氧化催化轉(zhuǎn)化器３.NOx還原催化轉(zhuǎn)化器４.四元催化轉(zhuǎn)化器相關(guān)知識三排放產(chǎn)物對環(huán)境的典型危害1.CO2的溫室效應(yīng)隨著汽車保有量的增加，CO2的排放量也日益增加。由于CO2的隔熱作用，會形成全球變暖的溫室效應(yīng)。這一效應(yīng)造成人類以及動植物生存條件的改變，從而在一定程度上破壞了生態(tài)環(huán)境。如果這一效應(yīng)引起南北極冰川大量融化，將造成人類生存陸地的減少，直接危及到人類的生存。因此，CO2的溫室效應(yīng)也是值得注意的問題。2.光化學(xué)煙霧HC和NOx在太陽紫外線作用下會生成臭氧(O3)和過氧?；跛猁}(PAN)，即一種具有刺激性的淺藍色煙霧，稱為光化學(xué)煙霧，它是一種有強刺激性的二次污染物。臭氧對人體的危害主要表現(xiàn)在刺激和破壞深部呼吸道粘膜和組織，對眼睛也有刺激。3.酸雨汽車尾氣中的二氧化硫和懸浮顆粒物，也會增加慢性呼吸道疾病的發(fā)病率，損害肺功能。二氧化硫在大氣中含量過高時，會隨降水形成“酸雨”，給大氣環(huán)境帶來了嚴重的污染。相關(guān)知識四排放法規(guī)及排放污染物的測量方法一、排放法規(guī)１.輕型車排放法規(guī)(１)美國排放法規(guī)世界上最早的工況法排放法規(guī)于１９６６年誕生在美國加利福尼亞州，用七個工況組成一個測試循環(huán)(稱為加州標(biāo)準(zhǔn)測試循環(huán))，并于１９６８年被美國聯(lián)邦政府采納作為聯(lián)邦排放法規(guī)。

(２)歐洲排放法規(guī)歐洲現(xiàn)行的輕型車排放測試循環(huán)如圖９-２０所示，它由若干等加速、等減速、等速和怠速工況組成。

(３)日本排放法規(guī)日本于１９６８年起實施“大氣污染防止法”，１９７３年起采用１０工況測試循環(huán)(熱起動)，１９９２年起改用１０·１５工況測試循環(huán)，如圖９-２１所示。

(４)各種排放法規(guī)的對比表９-６給出了美國、歐洲、日本輕型車排放測試循環(huán)的主要參數(shù)對比。

(５)我國排放法規(guī)我國于１９８４年４月１日開始實施排放法規(guī)。圖6-17美國ＦＴＰ-７５測試循環(huán)圖6-18歐洲測試循環(huán)(ＥＣＥ-１５＋ＥＵＤＣ)圖6-19日本１０·１５測試循環(huán)表6-8美國、歐洲、日本輕型車排放測試循環(huán)的主要參數(shù)對比圖6-21輕型車排放控制的進程表6-9歐洲重型車用柴油機排放限值(單位：ｇ／(ｋＷ·ｈ))２.重型車排放法規(guī)三、排放檢測的取樣系統(tǒng)１.輕型車工況法測試的取樣系統(tǒng)圖6-24用于輕型車工況法測試的定容采樣系統(tǒng)(ＣＦＶ／ＣＶＳ系統(tǒng))

ＣＤ—底盤測功機ＡＢ—空氣取樣袋ＣＦ—積累流量計ＣＦＶ—臨界流文杜里管ＣＳ—旋風(fēng)分離器

ＤＡＦ—稀釋空氣濾清器ＤＥＰ—稀釋排氣抽氣泵ＤＴ—稀釋風(fēng)道Ｆ—過濾器ＦＣ—流量控制器

ＦＬ—流量計ＨＥ—換熱器ＨＦ—加熱過濾器ＰＧ—壓力表ＱＦ—快接管接頭ＱＶ—快速作用閥ＳＢ—稀釋排氣取樣袋ＳＦ—測量微粒排放質(zhì)量的取樣過濾器

ＳＰ—取樣泵ＴＣ—溫度控制器ＴＳ—溫度傳感器２.發(fā)動機臺架測試時的采樣系統(tǒng)圖6-25加熱采樣系統(tǒng)

１—取樣探頭２—粗濾器３—逆向清掃系統(tǒng)４—取樣泵５—減壓器

６—氣樣冷卻器７—冷凝液分離器８—細濾器四、有害氣體成分分析目前，用于汽車氣體排放污染物分析的方法主要有三種，即，用不分光紅外分析儀測量ＣＯ和ＣＯ２；用氫火焰離子分析儀測量ＨＣ；用化學(xué)發(fā)光分析儀()測量ＮＯｘ。世界各國在其工況法檢測標(biāo)準(zhǔn)中都嚴格規(guī)定必須采用上述測試方法。但怠速法檢測標(biāo)準(zhǔn)中略有不同，可以用不分光紅外法測量ＣＯ、ＣＯ２和ＨＣ。在試驗研究中，對排氣氣體的成分和濃度分析可采用氣相色譜儀，上述分析方法及其原理在有關(guān)排放的專著中均有詳細介紹。五、微粒及煙度的測量１.柴油機排氣微粒的采集圖6-26微